Vanne à garniture mécanique et ensemble correspondant

La présente invention concerne une vanne, du type comprenant :

- un corps de base qui définit un tronçon d'écoulement d'un fluide ;

- un organe obturateur mobile en rotation par rapport au corps de base autour d'un axe de rotation entre une position de passage de fluide et une position d'obturation du tronçon d'écoulement ;

- un arbre d'actionnement de l'organe obturateur traversant le corps de base ;

- des moyens d'étanchéité interposés entre l'arbre d'actionnement et le corps de base.

On connaît dans l'état de la technique des vannes papillon comprenant un corps de base délimitant un tronçon d'écoulement d'un fluide et un organe obturateur adapté pour obturer le tronçon d'écoulement. L'organe obturateur est logé en rotation autour d'un axe au moyen d'un arbre d'actionnement.

De telles vannes sont par exemple utilisées dans des centrales nucléaires dans les conduits d'admission de turbines.

L'étanchéité entre l'arbre d'actionnement et le corps de base est habituellement assurée par une garniture tressée qui est comprimée à l'aide d'un fouloir et d'une bride de presse étoupe.

Les vannes papillon connues conduisent à un temps de réaction important pour un couple d'actionnement donné.

L'invention a pour but de fournir une vanne ayant un temps de réaction court pour un couple d'actionnement donné.

A cet effet, l'invention a pour objet une vanne du type indiqué, caractérisé en ce que les moyens d'étanchéité comprennent une garniture mécanique.

Selon des modes de réalisation particuliers, la vanne selon l'invention comprend les caractéristiques suivantes :

La position de passage et la position d'obturation de l'organe obturateur sont décalées l'une de l'autre de moins de 360° et de préférence de 90°.

L'organe obturateur est un disque, notamment bombé.

La garniture mécanique comprend :

- un premier anneau d'étanchéité solidaire en rotation de l'arbre d'actionnement,

- un deuxième anneau d'étanchéité fixe en rotation du corps de base et axialement mobile par rapport au corps de base,

- un ressort sollicitant les deux anneaux d'étanchéité l'un contre l'autre, et le deuxième anneau d'étanchéité est fixé au ressort.

Le ressort comporte un soufflet, notamment en métal.

L'invention a en outre pour objet un ensemble de deux vannes, caractérisé en ce qu'au moins l'une des vannes est une vanne telle que définie ci-dessus, et en ce que les deux tronçons d'écoulement sont alignés.

Selon un mode de réalisation particulier, l'ensemble comporte la caractéristique suivante :

- Les deux vannes sont identiques et sont disposées à 180° l'une de l'autre. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :

- la Figure 1 montre une vue de dessus d'un ensemble de deux vannes selon l'invention ;

- la Figure 2 montre une vue en perspective et partiellement coupée d'une vanne selon l'invention; et

- la Figure 3 montre un détail de la Figure 2 à plus grande échelle.

Sur la Figure 1 est montré en plan un ensemble de deux vannes, désignée par la référence générale 2. L'ensemble 2 comporte deux vannes 4 et 6. Les deux vannes 4 et 6 sont identiques et sont disposées l'une par rapport à l'autre décalées de 180° autour d'un axe s'étendant perpendicul airement au plan de la Figure 1. L'ensemble 2 est en outre muni d'une plaque de base 8 sur laquelle sont fixées les deux vannes 4 et 6.

L'ensemble 2 est destiné à être installé par exemple dans une centrale nucléaire dans un conduit d'admission de turbine vapeur et sert à faire l'isolement et la régulation à fermeture rapide du conduit d'admission. Les vannes 4 et 6 sont destinées à fonctionner à des températures élevées, par exemple de l'ordre de 300 ⁰ C, et à des pressions également élevées, par e xemple de l'ordre de 16 bars.

Sur la Figure 2 est représentée en perspective la vanne 4. La vanne 4 est une vanne à papillon qui comprend un corps de base 10, un organe obturateur 12,

un arbre d'actionnement 14, une garniture mécanique 16, un roulement à aiguilles 18 et un dispositif d'actionnement 20.

Le corps de base 10 définit un tronçon d'écoulement 22, de section transversale circulaire, qui est traversé par le fluide sous pression lors du fonctionnement. Le tronçon d'écoulement 22 s'étend suivant un axe Y-Y et les deux tronçons d'écoulement 22 des vannes 4 et 6 sont alignés de telle sorte que leurs axes Y-Y coïncident.

L'organe obturateur 12 est constitué par un disque bombé ayant une forme circulaire adaptée à la section transversale du tronçon d'écoulement. L'organe obturateur 12 est fixé à l'arbre d'actionnement 14.

L'arbre d'actionnement 14, et en conséquence l'organe obturateur 12, est mobile en rotation autour d'un axe de rotation X-X. Dans ce qui suit, les expressions « axialement » et « en rotation » seront utilisées par rapport à l'axe de rotation X-X. L'organe obturateur 12 et l'arbre d'actionnement 14 sont mobiles entre une position de passage dans laquelle le fluide peut circuler à travers le tronçon d'écoulement 22 et une position d'obturation dans laquelle l'organe obturateur 12 ferme complètement le tronçon d'écoulement 22.

L'arbre d'actionnement 14 est supporté en rotation par rapport au corps de base 10 au moyen du roulement à aiguilles 18. En variante, le roulement à aiguilles peut être remplacé par un roulement ayant des corps de roulement autre que des aiguilles.

L'arbre d'actionnement 14 peut être déplacé de ses positions de passage et d'obturation au moyen du dispositif d'actionnement 20. Ce dispositif d'actionnement 20 comporte par exemple un vérin hydraulique 25 dont le piston est relié à l'arbre d'actionnement.

Afin d'assurer l'étanchéité entre le tronçon d'écoulement 22 et l'espace extérieur, notamment vis-à-vis du dispositif d'actionnement 20, la garniture mécanique 16 est insérée entre l'arbre d'actionnement 14 et un logement 28 ménagé dans le corps de base 10.

La garniture mécanique 16 est représentée plus en détail sur la Figure 3.

La garniture mécanique 16 comporte un ensemble rotatif 30 fixé axialement et en rotation à l'arbre d'actionnement 14 ainsi qu'un ensemble fixe en rotation 32 fixé au corps de base 10.

L'ensemble rotatif 30 est muni d'un premier anneau d'étanchéité 34, d'un manchon 36, d'une bride de serrage 38 et d'une contre bride 40.

L'ensemble fixe en rotation 32 comporte un deuxième anneau d'étanchéité 42, un porte anneau 44, un soufflet 46 et un support 48. L'ensemble fixe en rotation 32 s'étend axialement entre le premier anneau d'étanchéité 34 et la bride de serrage 38.

Le premier anneau d'étanchéité 34 est muni d'une première surface d'étanchéité 50 annulaire dirigée vers le deuxième anneau d'étanchéité 42, et le deuxième anneau d'étanchéité 42 comporte une deuxième surface d'étanchéité 52 annulaire dirigée vers le premier anneau d'étanchéité. La deuxième surface d'étanchéité 52 s'applique sur la première surface d'étanchéité 50.

Le premier anneau d'étanchéité 34 est fixé au manchon 36 et un joint d'étanchéité 35 est interposé entre ces deux éléments 34 et 36. De même, la bride de serrage 38 et la contre bride 40 sont fixées par serrage mutuel axial au manchon 36 et compriment un joint d'étanchéité 39 disposé entre le manchon 36 et l'arbre d'actionnement 14.

Le deuxième anneau d'étanchéité 42 et le porte anneau 44 sont fixes en rotation par rapport au corps de base 10 mais sont axialement mobiles par rapport à celui-ci. Ainsi, le soufflet 46 sollicite élastiquement le porte-anneau 44 et le deuxième anneau d'étanchéité 42 contre le premier anneau d'étanchéité 34 selon la direction axiale. Le soufflet 46 est de préférence fabriqué en métal et est fermé selon la direction circonférentielle autour de l'axe X-X.

L'utilisation d'une garniture mécanique 16 conduit à des forces de frottement extrêmement faibles entre les surfaces d'étanchéité 50 et 52 pour un effet d'étanchéité donné. Ainsi, le temps de réaction de la vanne papillon 4 est très court pour un couple d'actionnement donné et généré par le dispositif d'actionnement 20.

De plus, le temps de réaction de la vanne pour un couple d'actionnement donné est sensiblement identique sur une large plage de température grâce à l'utilisation d'un élément élastique, tel que du soufflet 46.

Egalement, l'utilisation d'un roulement 18 à corps de roulement permet de limiter les frottements entre l'arbre 14 et le corps de base 10 et contribue à la réactivité de la vanne selon l'invention.

Le fait que le soufflet 46, le deuxième anneau d'étanchéité 42 et le porte anneau 44 sont fixes en rotation par rapport au corps de base 10 conduit à des masses relativement faibles entraînées en rotation et augmente encore la réactivité de la vanne selon l'invention. Cette configuration facilite également le montage de l'ensemble.

En variante, le soufflet 46 peut être remplacé par n'importe quel moyen formant ressort, par exemple des ressorts hélicoïdaux.

Egalement, la garniture mécanique 16 peut être employée avec n'importe quelle vanne ayant un obturateur autre qu'un disque, par exemple un obturateur sphérique.